先駆的な転写因子OCT4によるヌクレオソーム結合

Nucleosome binding by the pioneer transcription factor OCT4.

• Kenta Echigoya
• Masako Koyama
• Lumi Negishi
• Yoshimasa Takizawa
• Yuka Mizukami
• Hideki Shimabayashi
• Akari Kuroda
• Hitoshi Kurumizaka

抄録

転写因子とゲノムDNAとの結合は、一般的にDNAがヒストン八量体に強固に巻き付けられたヌクレオソーム形成によって阻止されます。一方、先駆的な転写因子は、ヌクレオソーム内で効率よく目的のDNA配列に結合します。OCT4は、幹細胞の多能性に必要な先駆的転写因子として同定されています。本研究では、OCT4によるヌクレオソーム結合を調べるために、ヒトOCT4を組換えタンパク質として調製し、天然のOCT4標的であるLIN28B遠位エンハンサーDNA配列を含むヌクレオソームとの相互作用を生化学的に解析しました。ケミカルマッピングと低温電子顕微鏡による単粒子解析を組み合わせて、ヌクレオソーム内の3つの標的配列の位置をマッピングした。突然変異解析の結果、OCT4はヌクレオソームの入口/出口付近にある標的DNA配列に優先的に結合していることが明らかになった。クロスリンキング質量分析の結果、OCT4は、ヌクレオソームの入口/出口部位に近いヒストンH3 N末端領域の近傍でヌクレオソームに結合することが一貫して示された。また、リンカーであるヒストンH1がOCT4と競合してヌクレオソームと結合していることも明らかにした。これらの知見は、OCT4がクロマチン中の標的DNAと結合する分子機構を理解する上で重要な情報を提供しています。

Transcription factor binding to genomic DNA is generally prevented by nucleosome formation, in which the DNA is tightly wrapped around the histone octamer. In contrast, pioneer transcription factors efficiently bind their target DNA sequences within the nucleosome. OCT4 has been identified as a pioneer transcription factor required for stem cell pluripotency. To study the nucleosome binding by OCT4, we prepared human OCT4 as a recombinant protein, and biochemically analyzed its interactions with the nucleosome containing a natural OCT4 target, the LIN28B distal enhancer DNA sequence, which contains three potential OCT4 target sequences. By a combination of chemical mapping and cryo-electron microscopy single-particle analysis, we mapped the positions of the three target sequences within the nucleosome. A mutational analysis revealed that OCT4 preferentially binds its target DNA sequence located near the entry/exit site of the nucleosome. Crosslinking mass spectrometry consistently showed that OCT4 binds the nucleosome in the proximity of the histone H3 N-terminal region, which is close to the entry/exit site of the nucleosome. We also found that the linker histone H1 competes with OCT4 for the nucleosome binding. These findings provide important information for understanding the molecular mechanism by which OCT4 binds its target DNA in chromatin.